《物联网实验》
实验报告
| 题 目 | ： | 实验4 RFID-2.4G有源实验 |
| 姓 名 | ： | 高星杰 |
| 学 号 | ： | 2021307220712 |
| 专 业 | ： | 计算机科学与技术 |
| 上课时间 | ： | 2024春 |
| 授课教师 | ： | 朱容波 |
2024 年 6月 25 日
[TOC]
实验4 RFID-2.4G有源实验
实验目的
- 加深RFID-2.4G技术的理解
- 掌握使用RFID的数据读取的方式
- 了解2.4G有源卡的读取
- 更好地理解物联网中的RFID标签的设计原理；
- 进一步熟练实验，提高自己的实践动手能力；
实验要求
-
通信协议：2.4G有源RFID
-
实验内容：2.4G有源RFID数据读取
-
参考视频：2.4G有源RFID数据读取实验.mp4
-
通过Python编写界面程序实现RFID端口数据读取
实验设备
- 硬件：2.4G 有缘 RFID 节点，串口线，物联网实验开发箱；
- 软件：Keli4 For ARM 开发软件，串口调试工具；
- 参考资料：协议栈 API 接口说明文档，LoRa 源码，STM32 工程源码
实验原理
在进行实验之前，要先对实验理论进行了解。
首先我们要对RFID-2.4G技术进行了解，对此我们将以问答的形式给出。
什么是有源RFID-2.4G？
RFID-2.4G 是工作在2.4GHz频段的射频识别系统（RFID），这是一种利用无线电波进行非接触式数据传输的技术，广泛应用于资产跟踪、人员定位、供应链管理等领域。2.4GHz频段属于微波频段的一部分，具体范围通常在2.4GHz至2.5GHz之间。由于这一频段与Wi-Fi、蓝牙等常见设备共用，具有较好的兼容性和全球应用前景。
RFID-2.4G系统通常为有源RFID系统，这意味着标签内置有电池，可以主动发送信号，而不是像无源RFID那样依赖读卡器提供能量。有源标签具备较长的读取距离，通常可达数十米甚至几百米；较大的数据存储容量，可以存储大量数据如传感器数据、时间戳等；多功能性，可以实现环境监测、实时定位等高级功能。
这种系统广泛应用于需要远距离数据传输和监控的场景，如仓库和工厂中高价值物品的资产追踪、安全管理中的人员定位（例如医院病人监控、监狱囚犯管理），以及物流运输过程中货物的实时监控。其优势包括读取距离长、实时数据传输和高数据处理能力，但也面临电池寿命需要定期更换、系统成本较高以及可能受到频段共用设备干扰的问题。
所以我们就可以了解RFID-2.4G系统是利用2.4GHz频段进行数据传输，凭借其远距离读取和实时监控的能力，在资产追踪、人员定位和供应链管理等领域有着广泛应用。尽管面临一些挑战，其独特优势使其在许多应用场景中仍然是不可替代的技术手段。
实验步骤
- 前期准备：观看实验教学视频，了解实验步骤，理解实验原理，阅读参考手册，详细了解实验步骤，抓住实验细节；
- 标签连接好电源；
- 用公母直连线连接电脑串口和有源2.4G节点的DB9接头，S1开关拨打到左边，让DB9和2.4G读卡器相连；
- 打开串口调试助手，串口参数：9600 8 N 1 ，标签自动向读卡器发信息，其中 FB 10 00 00 0C 0F 01 01 就是读到的有源卡的卡号。
- 使用GUI显示界串口接收到的数据。
实验结果
1 标签连接好电源
2 连接有源2.4G节点和电脑
3 使用串口调试助手读取卡号
4 使用Python编写可视化GUI，并接收数据
完整代码+逐行注释
import threading # 用于实现多线程
import serial # pySerial库，用于串口通信
from tkinter import ttk # ttk模块提供了若干新小部件
import tkinter as tk # Tkinter是Python的标准GUI库
import binascii # 用于二进制和ASCII字符串的相互转换
# 一个简单的信息窗口类
class InformWindow:
def __init__(self, informStr):
self.window = tk.Tk()
self.window.title("Information") # 设置窗口标题
self.window.geometry("220x60") # 设置窗口大小
label = tk.Label(self.window, text=informStr) # 显示信息的标签
buttonOK = tk.Button(self.window, text="OK",
command=self.processButtonOK) # 确定按钮
label.pack(side=tk.TOP)
buttonOK.pack(side=tk.BOTTOM)
self.window.mainloop() # 进入消息循环
def processButtonOK(self):
self.window.destroy() # 销毁窗口
# 主GUI类
class mainGUI:
def __init__(self):
window = tk.Tk()
window.title("GUI UART Tx/Rx Demo") # 设置窗口标题
self.uartState = False # 标识串口是否打开
# 包含COM信息和开始/停止按钮的框架
frame_COMinf = tk.Frame(window)
frame_COMinf.grid(row=1, column=1)
labelCOM = tk.Label(frame_COMinf, text="COMx: ") # COM端口标签
self.COM = tk.StringVar(value="COM1") # COM端口变量
ertryCOM = tk.Entry(frame_COMinf, textvariable=self.COM) # 输入COM端口
labelCOM.grid(row=1, column=1, padx=5, pady=3)
ertryCOM.grid(row=1, column=2, padx=5, pady=3)
labelBaudrate = tk.Label(frame_COMinf, text="Baudrate: ") # 波特率标签
self.Baudrate = tk.IntVar(value=115200) # 波特率变量
ertryBaudrate = tk.Entry(
frame_COMinf, textvariable=self.Baudrate) # 输入波特率
labelBaudrate.grid(row=1, column=3, padx=5, pady=3)
ertryBaudrate.grid(row=1, column=4, padx=5, pady=3)
labelParity = tk.Label(frame_COMinf, text="Parity: ") # 校验位标签
self.Parity = tk.StringVar(value="NONE") # 校验位变量
comboParity = ttk.Combobox(
frame_COMinf, width=17, textvariable=self.Parity) # 校验位下拉框
comboParity["values"] = ("NONE", "ODD", "EVEN", "MARK", "SPACE")
comboParity["state"] = "readonly"
labelParity.grid(row=2, column=1, padx=5, pady=3)
comboParity.grid(row=2, column=2, padx=5, pady=3)
labelStopbits = tk.Label(frame_COMinf, text="Stopbits: ") # 停止位标签
self.Stopbits = tk.StringVar(value="1") # 停止位变量
comboStopbits = ttk.Combobox(
frame_COMinf, width=17, textvariable=self.Stopbits) # 停止位下拉框
comboStopbits["values"] = ("1", "1.5", "2")
comboStopbits["state"] = "readonly"
labelStopbits.grid(row=2, column=3, padx=5, pady=3)
comboStopbits.grid(row=2, column=4, padx=5, pady=3)
self.buttonSS = tk.Button(
frame_COMinf, text="Start", command=self.processButtonSS) # 开始/停止按钮
self.buttonSS.grid(row=3, column=4, padx=5, pady=3, sticky=tk.E)
# 串口对象
self.ser = serial.Serial()
# 串口读取线程
self.ReadUARTThread = threading.Thread(target=self.ReadUART)
self.ReadUARTThread.start()
# 接收数据的框架
frameRecv = tk.Frame(window)
frameRecv.grid(row=2, column=1)
labelOutText = tk.Label(frameRecv, text="ReceivedData:") # 接收数据标签
labelOutText.grid(row=1, column=1, padx=3, pady=2, sticky=tk.W)
frameRecvSon = tk.Frame(frameRecv)
frameRecvSon.grid(row=2, column=1)
scrollbarRecv = tk.Scrollbar(frameRecvSon)
scrollbarRecv.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
self.OutputText = tk.Text(frameRecvSon, wrap=tk.WORD, width=60,
height=20, yscrollcommand=scrollbarRecv.set) # 显示接收数据的文本框
self.OutputText.pack()
# 发送数据的框架
frameTrans = tk.Frame(window)
frameTrans.grid(row=3, column=1)
labelInText = tk.Label(frameTrans, text="To Transmit Data:") # 发送数据标签
labelInText.grid(row=1, column=1, padx=3, pady=2, sticky=tk.W)
frameTransSon = tk.Frame(frameTrans)
frameTransSon.grid(row=2, column=1)
scrollbarTrans = tk.Scrollbar(frameTransSon)
scrollbarTrans.pack(side=tk.RIGHT, fill=tk.Y)
self.InputText = tk.Text(frameTransSon, wrap=tk.WORD, width=60,
height=5, yscrollcommand=scrollbarTrans.set) # 输入发送数据的文本框
self.InputText.pack()
self.buttonSend = tk.Button(
frameTrans, text="Send", command=self.processButtonSend) # 发送按钮
self.buttonSend.grid(row=3, column=1, padx=5, pady=3, sticky=tk.E)
window.mainloop()
def processButtonSS(self):
if (self.uartState):
self.ser.close() # 关闭串口
self.buttonSS["text"] = "Start" # 更改按钮文字
self.uartState = False
else:
# 重新启动串口
self.ser.port = self.COM.get()
self.ser.baudrate = self.Baudrate.get()
strParity = self.Parity.get()
if (strParity == "NONE"):
self.ser.parity = serial.PARITY_NONE
elif (strParity == "ODD"):
self.ser.parity = serial.PARITY_ODD
elif (strParity == "EVEN"):
self.ser.parity = serial.PARITY_EVEN
elif (strParity == "MARK"):
self.ser.parity = serial.PARITY_MARK
elif (strParity == "SPACE"):
self.ser.parity = serial.PARITY_SPACE
strStopbits = self.Stopbits.get()
if (strStopbits == "1"):
self.ser.stopbits = serial.STOPBITS_ONE
elif (strStopbits == "1.5"):
self.ser.stopbits = serial.STOPBITS_ONE_POINT_FIVE
elif (strStopbits == "2"):
self.ser.stopbits = serial.STOPBITS_TWO
try:
self.ser.open() # 打开串口
except:
informStr = "Can't open " + self.ser.port
InformWindow(informStr)
if (self.ser.isOpen()): # 打开成功
self.buttonSS["text"] = "Stop" # 更改按钮文字
self.uartState = True
def processButtonSend(self):
if (self.uartState):
strToSend = self.InputText.get(1.0, tk.END)
bytesToSend = bytes.fromhex(strToSend[0:-1]) # 将输入的十六进制字符串转换为字节
self.ser.write(bytesToSend) # 发送数据
print(bytesToSend)
else:
informStr = "UART is not open"
InformWindow(informStr)
def ReadUART(self):
while True:
if (self.uartState):
try:
ch = self.ser.read() # 读取一个字节
print(ch, end='')
data = str(binascii.b2a_hex(ch)) # 将字节转换为十六进制字符串
print(str(data[1:]).split('\\x'))
self.OutputText.insert(
tk.END, data.split('b\'\\x')) # 在文本框中显示接收到的数据
except:
informStr = "Error reading UART"
InformWindow(informStr)
self.ser.close() # 关闭串口
self.buttonSS["text"] = "Start"
self.uartState = False
# 启动主GUI
mainGUI()
实验总结与感悟
本次实验是一次难忘且充实的学习体验，通过实际操作2.4G有源RFID系统，我不仅加深了对RFID技术的理解，也提升了自己在物联网领域的动手实践能力。
在实验的开始阶段，我观看了教学视频并阅读了相关文档，详细了解了实验的每一步骤和技术原理。通过预先的理论学习，使我在动手操作时更加得心应手。特别是在连接硬件和调试软件时，视频的演示和指导为我提供了清晰的操作路径，减少了许多可能遇到的困惑和问题。
实验过程中，我们小组齐心协力，按照步骤连接读卡器和标签，并通过串口调试助手成功读取到了有源RFID标签的数据。当我们在调试过程中遇到数据传输不稳定的问题时，通过查阅资料和与同学讨论，我们找到了问题的根源并成功解决。这一过程不仅增强了团队协作精神，也让我意识到理论知识和实际操作的紧密联系。
在整个实验中，最让我感到兴奋的是将理论转化为实践的过程。从代码编写到硬件连接，每一步都充满了挑战和乐趣。特别是通过Python编写的程序实现了对串口数据的实时监控和可视化展示，这不仅仅是一次编程练习，更是一次全面的系统设计和实现的过程。在看到实验结果成功显示在屏幕上的那一刻，我深深感受到了成就感和满足感。
通过这次实验，我深刻理解了2.4G有源RFID在物联网中的广泛应用，特别是在物流运输和人员定位等领域的巨大潜力。我们使用的有源RFID系统以其稳定、低功耗和长距离的特点，展示了其在实际应用中的优势。实验中的每一个环节都让我更加熟悉了物联网硬件和软件的结合，为未来的学习和工作打下了坚实的基础。
本次实验不仅巩固了课堂所学的理论知识，更让我在实际操作中收获颇丰。感谢老师的耐心指导和同学们的热心帮助，让我在学习的道路上不断进步。通过这次实验，我不仅学到了技术，更体会到了团队合作和持续学习的重要性。期待在未来的学习中，能够继续探索和应用更多的物联网技术，不断提升自己的专业素养和技能。